CdO FİLMLERİNİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE Al KATKILAMA VE TAVLAMA İŞLEMLERİNİN ETKİLERİ
İdris AKYÜZ DOKTORA TEZİ FİZİK Anabilim Dalı
EKİM, 2005
THE EFFECTS OF Al DOPING AND ANNEALING PROCESSES ON SOME PHYSICAL PROPERTIES OF CdO FILMS
İdris AKYÜZ Ph.D. THESIS Department of Physics
OCTOBER, 2005
CdO FİLMLERİNİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE Al KATKILAMA VE TAVLAMA
İŞLEMLERİNİN ETKİLERİ
İdris AKYÜZ
Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca
FİZİK Anabilim Dalı KATIHAL FİZİĞİ Bilim Dalında
DOKTORA TEZİ Olarak Hazırlanmıştır
Danışman : Yrd. Doç. Dr. Salih KÖSE
EKİM, 2005
İdris AKYÜZ’ ün DOKTORA tezi olarak hazırladığı “CdO FİLMLERİNİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE Al KATKILAMA VE TAVLAMA İŞLEMLERİNİN ETKİLERİ” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.
Üye : Yrd. Doç. Dr. Salih KÖSE (Danışman)
Üye : Prof. Dr. Yüksel BEKTÖRE
Üye : Prof. Dr. Muhsin ZOR
Üye : Prof. Dr. Tuncer HÖKELEK
Üye : Prof. Dr. Sebahattin TÜZEMEN
Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...
sayılı kararıyla onaylanmıştır.
Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU Enstitü Müdürü
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET... vii
SUMMARY... viii
TEŞEKKÜR………. ix
ŞEKİLLER DİZİNİ………. x
ÇİZELGELER DİZİNİ………... xiv
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ……….. xv
1. GİRİŞ ……….. 1
1.1. Giriş……… 1
1.2. Yarıiletken Filmlerin Teknolojideki Önemi……….. 1
1.3. Saydam İletken Oksit Filmler……… 5
1.4. CdO Filmleri……….. 7
1.5. Amaç……….. 10
2. CdO FİLMLERİNİN ELDE EDİLMESİ………. 12
2.1. Giriş……… 12
2.2. Kimyasal Püskürtme Tekniği………. 12
2.3. CdO Filmlerinin Elde Edilmesi……….. 18
2.4. CdO Filmlerinin Elemental Analizleri………... 20
İÇİNDEKİLER (devam)
Sayfa 3. YARIİLETKEN FİLMLERİN ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ 26
3.1. Giriş……… 26
3.2. Yapısal Özellikler……….. 26
3.3. Elektriksel Özellikler………. 31
3.3.1. Van der Pauw metodu……….. 31
3.3.2. Hall olayı………. 33
3.3.3. Dejenere malzemelerin iletim özellikleri………. 35
3.3.4. Elektron saçılması……… 36
3.4. Optiksel Özellikler………. 38
3.4.1. Bir yarıiletkenle ışığın etkileşimi………... 39
3.4.2. Yarıiletkenlerde soğurma olayları……….. 40
3.4.3. Dejenere yarıiletkenler-safsızlık Bandı……….. 43
3.5. Yüzeysel Özellikler……… 45
4. CdO FİLMLERİNİN ÖZELLİKLERİ……….. 48
4.1. Giriş……… 48
4.2. CdO Filmlerinin Yapısal Özellikleri……….. 49
4.3. CdO Filmlerinin Elektriksel Özellikleri………. 68
İÇİNDEKİLER (devam)
Sayfa
4.4. CdO Filmlerinin Optiksel Özellikleri……… 77
4.5. CdO Filmlerinin Yüzeysel Özellikleri………... 95
5. TARTIŞMA VE ÖNERİLER………. 103
6. KAYNAKLAR DİZİNİ………... 108
ÖZGEÇMİŞ
ÖZET
Sürekli gelişen ve yenilikler arayan opto-elektronik teknolojisi alternatif saydam iletken oksit malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Bu amaçla, bu tip uygulamalarda fiziksel özellikleri ile önemli bir potansiyele sahip olan, belki de hak ettiği ilgiyi henüz tam olarak bulamamış olan CdO filmleri ve bu filmlerin Al elementi ile katkılanma ve çöktürme sonrası ısıl işlemlerle sahip olacağı karakteristikler incelenmiştir. CdO filmlerinin üretimi için ekonomik ve basit bir teknik olan Ultrasonik Kimyasal Püskürtme tekniği kullanılmıştır. CdO filmleri, %1, 2 ve 3 katkı oranlarında Al elementi ile katkılanmıştır. Tavlama işlemi için üç farklı sıcaklık (250, 350 ve 450 °C) seçilmiş ve malzemeler bir saat süre ile ısıl işleme tabi tutulmuştur. Elde edilen filmlerin yapısal, elektriksel, optiksel ve yüzeysel özellikleri farklı analiz teknikleri ile incelenmiş ve bu özellikler üzerine katkılama ve tavlama işlemlerinin etkisi araştırılmıştır. Analiz sonuçları, filmlerin opto-elektronik endüstrisinde ve yarıiletken güneş pillerinde uygulama potansiyelleri göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak;
katkılamanın ve ısıl işlemin filmlerin özelliklerinde dikkate değer etkiler yarattığı ve düşük Al konsantrasyonu ve yüksek tavlama sıcaklıklarında CdO filmlerinin fiziksel, yapısal ve yüzeysel özelliklerinin iyileştiği görülmüştür.
SUMMARY
Opto-electronic technology which is continuously developing and searching for innovations needs alternative transparent conducting oxide materials. On this purpose, the effect of Al doping and thermal annealing on the characteristics of CdO films, having an important potential with their physical properties but unfortunately haven’t experienced the interest it deserved, has been investigated. Ultrasonic spray pyrolysis technique which is economical and simple has been used to produce the films. CdO films have been doped with Al at the percentages of 1, 2 and 3 at %. Three different temperatures (250, 350 and 450 °C) have been chosen for thermal annealing and the films have been annealed in air for one hour. The structural, electrical, optical and surface properties of the films have been characterized using different techniques and the effect of doping and annealing on these properties have been investigated. The results have been presented by taking into consideration that these films will have applications in opto-electronic industry and semiconductor solar cells. Finally, it has been seen that doping and annealing have noticeable effects on the properties of the films, low Al concentration and high annealing temperature improves the physical, structural and surface properties.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde beni yönlendiren, bilimsel katkılarını ve tecrübelerini esirgemeyen sayın hocam Yrd. Doç. Dr. Salih KÖSE’ ye en içten saygı ve teşekkürlerimi sunarım.
Atatürk Üniversitesi Fizik Bölümü Katıhal Fiziği laboratuarında elektriksel ölçümlerin alınmasına yardımcı olan Prof. Dr. Sebahattin TÜZEMEN ve Arş. Gör.
Emre GÜR’ e, Hacettepe Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümünde yansıma ölçümlerinin alınmasını sağlayan Dr. Tayyar GÜNGÖR’ e ve numunelerin kalınlık ölçümlerinde yardımcı olan TÜLOMSAŞ çalışanlarından Jeoloji Mühendisi Muzaffer KIR’ a teşekkür ederim.
Ayrıca, sıkıntı yaşadığım noktalarda bana zaman ayıran, bilimsel bilgi ve tecrübelerine başvurduğum Anadolu Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim üyelerinden Prof. Dr. Muhsin ZOR’ a ve Osmangazi Üniversitesi Kimya Bölümü öğretim üyelerinden Yrd. Doç. Dr. Necmettin CANER’ e teşekkür ederim.
Bu çalışmanın her aşamasında yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Ferhunde ATAY ve Dr. Vildan BİLGİN’ e teşekkür ederim.
Bugünlere gelmemde hiç şüphesiz ki en büyük emeği ve katkısı olan; çok değerli anneme ve babama, ayrıca sevgili kardeşim Filiz’ e en candan teşekkürlerimi sunarım.
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
2.1. Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinin şematik diyagramı……….. 15
2.2. Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinin fotoğrafı………. 15
2.3. Elde edilen numunelerde Al elementinin ağırlık yüzdelerinin değişim grafiği………... 22
2.4. CdO için a) Cd ve Al’ nin ağırlık yüzdeleri b) Al/Cd atomik oranı……... 23
2.5. CdO filmlerinde Al ve O elementlerinin ağırlık yüzdeleri ………...……… 24
3.1. X-ışınları toz difraktometresi……… 28
3.2. Özdirenç ölçümü için numune şekli……….. 32
3.3. f fonksiyonunun BCDA ABCD R R oranı ile değişimi………. 33
3.4. (a) Hall olayının şematik diyagramı (b)Hall deneyi için numune şekli…… 34
3.5. Safsızlıklar ve bantlar arasındaki geçişler……….. 42
3.6. Serbest bir elektronun iletim bandındaki geçişi………. 43
3.7. Safsızlık bandı oluşumu………. 45
3.8. SEM’ de gelen elektron demeti ile numunenin etkileşmesi……….. 46
4.1. Katkısız ve Al katkılı CdO filmlerinin XRD desenleri………. 49
4.2. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış CdO filmlerinin XRD desenleri……… 50
4.3. A0 numunesinin XRD deseni……… 55
4.4. A1 numunesinin XRD deseni……… 56
4.5. A2 numunesinin XRD deseni……… 56
4.6. A3 numunesinin XRD deseni……… 57
4.7. B1 numunesinin XRD deseni………. 57
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
4.8. B2 numunesinin XRD deseni………. 58
4.9. B3 numunesinin XRD deseni………. 58
4.10. Al katkılı CdO filmlerinin yapılanma katsayıları……… 59
4.11. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış CdO filmlerinin yapılanma katsayıları…… 60
4.12. Al katkılı CdO filmlerinin tane boyutu değerleri………. 61
4.13. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış CdO filmlerinin tane boyutu değerleri……. 62
4.14. Al katkılı CdO filmlerinin dislokasyon yoğunluğu değerleri…………... 63
4.15. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış CdO filmlerinin dislokasyon yoğunluğu değerleri………... 64
4.16. Al katkılı CdO filmlerinin deformasyon değerleri……….. 65
4.17. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış CdO filmlerinin deformasyon değerleri………... 66
4.18. Al katkılı CdO filmlerinin iletkenliklerinin değişimi……….. 69
4.19. Tavlanmış CdO filmlerinin iletkenliklerinin değişimi……… 71
4.20. Al katkılı CdO filmlerinin taşıyıcı yoğunluklarının değişimi………. 72
4.21. Tavlanmış CdO filmlerinin taşıyıcı yoğunluklarının değişimi……… 73
4.22. Al katkılı CdO filmlerinin mobilitelerinin değişimi……… 75
4.23. Tavlanmış CdO filmlerinin mobilitelerinin değişimi……….. 76
4.24. Al katkılı CdO filmlerinin geçirgenlik spektrumları……… 78
4.25. Tavlanmış CdO filmlerinin geçirgenlik spektrumları……….. 79
4.26. Al katkılı CdO filmlerinin yansıma spektrumları……… 79
4.27. Tavlanmış CdO filmlerinin yansıma spektrumları……….. 80
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
4.28. Al katkılı CdO filmlerinin soğurma spektrumları……… 81
4.29. Tavlanmış CdO filmlerinin soğurma spektrumları……….. 81
4.30. A0 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 82
4.31. A1 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 83
4.32. A2 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 83
4.33. A3 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 84
4.34. B1 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 84
4.35. B2 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 85
4.36. B3 filmlerinin α2∼hυ değişim grafiği……….. 85
4.37. Al katkılanmış CdO filmlerinin bant aralığındaki değişim……….. 88
4.38. Tavlanmış CdO filmlerinin bant aralığındaki değişim……… 89
4.39. Al katkılı CdO filmleri için E0 ile deformasyon arasındaki değişim grafiği………... 91
4.40. Tavlanmış CdO filmleri için E0 ile deformasyon arasındaki değişim grafiği………... 91
4.41. Al katkılı CdO filmleri için E0 ile n arasındaki değişim grafiği………….. 92
4.42. Tavlanmış CdO filmleri için E0 ile n arasındaki değişim grafiği………… 92
4.43. Al katkılı CdO filmleri için E0 ile tane boyutu arasındaki değişim grafiği………... 94
4.44. Tavlanmış CdO filmleri için E0 ile tane boyutu arasındaki değişim grafiği………... 94
4.45. A0 numunesinin SEM görüntüleri………... 96
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)
Şekil Sayfa
4.46. A1 numunesinin SEM görüntüleri………... 97
4.47. A2 numunesinin SEM görüntüleri………... 99
4.48. A3 numunesinin SEM görüntüleri………... 99
4.49. B1 numunesinin SEM görüntüleri………... 101
4.50. B2 numunesinin SEM görüntüleri………... 101
4.51. B3 numunesinin SEM görüntüleri………... 102
5.1. Filmler için hesaplanan Haacke kalite faktörü değerleri……… 107
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
2.1. CdO filmlerinin üretim parametreleri………. 20
2.2. EDS analizi ile elde edilen veriler……….. 21
4.1. (111) CdO2 için bazı yapısal parametreler……….. 51
4.2. (111) CdO için bazı yapısal parametreler………... 52
4.3. (200) CdO2 için bazı yapısal parametreler……….. 53
4.4. CdO filmlerinin bazı elektriksel parametreleri……….……….. 68
4.5. Al katkılanmış ve tavlanmış CdO filmlerinin bant aralığı ve E0 değerleri……….. 86
4.6. CdO filmleri için literatürde verilen direkt bant aralığı değerleri………... 86
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ
Simgeler Açıklama
A0 CdO filmleri
A1 % 1 Al katkılı CdO filmleri
A2 % 2 Al katkılı CdO filmleri
A3 % 3 Al katkılı CdO filmleri
B1 250 °C’ de tavlanmış CdO filmleri
B2 350 °C’ de tavlanmış CdO filmleri
B3 450 °C’ de tavlanmış CdO filmleri
M Molar
I Standart şiddet
I0 Gözlenen şiddet, gelen ışığın şiddeti
IT Geçen ışığın şiddeti
IA Soğurulan ışığın şiddeti
IR Yansıyan ışığın şiddeti
a Örgü sabiti
β Yarı pik genişliği
P Yapılanma katsayısı
δ Dislokasyon yoğunluğu
d Kalınlık, düzlemler arası mesafe
D Tane boyutu
(hkl) Miller indisleri
λ Dalga boyu
θ Bragg açısı
2θ Kırınım açısı
T Geçirgenlik
A Absorbans
R Yansıma katsayısı
ν Frekans
α Lineer soğurma katsayısı
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
αa Fonon soğurulmasını içeren soğurma katsayısı
αe Fonon salınmasını içeren soğurma katsayısı
C Sabit
D Sabit
α0 Sabit
Eg Yasak enerji aralığı
Ep Fonon enerjisi
eV Elektron volt
q Yük
Ed Donör enerji seviyesi
Ec İletim bandı alt sınırı
Ev Valans bandı üst sınırı
Nd Donör yoğunluğu
Na Akseptör yoğunluğu
E0 Urbach parametresi
h, ħ Planck sabiti
I Akım
V Voltaj
Ω.cm Ohm.santimetre
ρ Özdirenç
σ İletkenlik
n Taşıyıcı yoğunluğu
ns Tabaka taşıyıcı yoğunluğu
l Ortalama serbest yol
°C Santigrat derece
µm Mikrometre
Å Angström
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)
Simgeler Açıklama
rAl Al elementinin atomik yarıçapı
rCd Cd elementinin atomik yarıçapı
Φ Haacke kalite faktörü
UKP Ultrasonik Kimyasal Püskürtme
UV Ultraviolet (Ultraviyole)
VIS Visible (görünür)
IR Infrared (Kırmızı ötesi)
SEM Scanning Electron Microscope
SİO Saydam İletken Oksit
XRD X-Ray Diffraction
EDS Energy Dispersive X-Ray Spectrometry
ASTM American Society for Testing Materials
GİRİŞ
1.1 Giriş
Bu çalışmada; saydam iletken oksit (SİO) ailesine ait olan kadmiyum oksit (CdO) yarıiletken filmleri, araştırma/geliştirme çalışmaları için uygun ve diğer üretim teknikleri arasında ekonomik ve uygulamasının kolay olmasıyla dikkat çeken Ultrasonik Kimyasal Püskürtme tekniği ile elde edilmiştir. Bu tip malzemelere özellikle opto- elektronik alanında ihtiyaç duyulmaktadır. Her geçen gün yeni malzemeler üretme ve inceleme çalışmalarına daha fazla ağırlık verilmektedir. Bunun nedeni mevcut malzemelerin artık daha yüksek performans gerektiren cihazlar için yetersiz kalmasıdır.
Bu nedenle elde edilen CdO filmlerinin özellikleri katkılama ve tavlama yolu ile iyileştirilmeye çalışılmıştır. Daha iyi fiziksel karakteristiklerle elde edilebilecek veya çöktürme sonrası işlemlerle uygun opto-elektronik özellikleri olabilecek CdO filmleri teknolojik alanda umut veren malzemeler olacaklardır.
1.2 Yarıiletken Filmlerin Teknolojideki Önemi
Günümüzde, elektronik ve optik alanlarındaki birçok gelişme giderek daha da karmaşık olan, daha küçük bileşenlere sahip yarıiletkenlerin üretimine bağlıdır.
Bileşenler küçüldükçe ve daha karmaşık oldukça kusurlar konusu da önem kazanmaktadır. Daha küçük bileşenler, bu yarıiletkenleri kullanan aygıtların da daha az yer kaplaması, ağırlığının daha az olması ve bu durumlarında bile yüksek hesaplama gücüne sahip olması anlamına gelmektedir. Böylece daha güçlü taşınabilir bilgisayarlar ve uzay gözlemleri için daha kapsamlı uydular yapılabilecektir.
Yarıiletken aygıtların kullanımı ve değişik uygulamaları sayamayacağımız kadar yaygınlaşmıştır. Bu aygıtlar çevremizdeki her yerdedir. Dokunduğumuz hemen hemen her ticari üründe, otomobilde ve bir hesap makinesinde bile bulunabilirler.
Bilim ve endüstri de yarıiletken aygıtlara bağlı olarak yenilenmektedir.
Araştırma laboratuarlarında her çeşit elektronik cihazda testler gerçekleştirmek, ölçümler ve diğer bazı deneysel işlemler yapmak için bu aygıtlar kullanılır. Katı hal aygıtlarındaki birçok uygulamanın yanında uzay sistemleri, bilgisayarlar ve bilgi işlem donanımları da geniş uygulama alanları arasında yer alırlar. Birçok çeşit modern askeri cihaz da yarıiletken aygıtlarla donatılmıştır. Bilgi görüntüleme sistemleri, bilgi işlem üniteleri ve hava savunma-kontrol birimleri de yarıiletkenleri kullanan elektronik donanımlara iyi birer örnek olarak verilebilirler.
Yarıiletkenlerin teknolojideki öneminin altında yatan gerçek; iletkenler ile yalıtkanlar arasında geçiş yapabilecek özelliklere sahip olmalarıdır. Sıcaklık ve safsızlık miktarı gibi değiştirilebilen koşullar yarıiletkenlerin iletkenliklerini önemli ölçüde etkiler. Farklı yarıiletken tiplerinin birleşimi ile elektriksel sinyallerin kontrolünü sağlayabilecek potansiyelde özel elektriksel özelliklerle donatılmış aygıtlar yapılabilir.
Yarıiletkenler elektronik aygıtların ve entegre devrelerin yapımında da kullanılırlar.
Yarıiletkenler element ya da bileşik halinde bulunabilirler. Silisyum (Si) ve Germanyum (Ge) en yaygın elemental yarıiletkenlerdir. Birçok alaşım ve bileşik de yarıiletken olarak davranabilirler. Bu tip bileşik yarıiletkenlerin avantajı; geniş bir aralıkta enerji aralığı ve mobilite değerlerine sahip olmalarıdır. Böylece özel gereksinimleri karşılayabilecek karakteristiklere sahip malzemeler elde edilebilir.
Yarıiletkenlerin üretimi, modern toplumdaki yüksek kullanım potansiyelleri nedeni ile önemi giderek artan bir alandır. Yarıiletken üretimi alanının kökeninde hem kimya hem de fizik bulunmaktadır. Yarıiletken araştırmalarında kimya ile fizik arasındaki ayrım giderek zorlaşmaktadır. Yarıiletkenin nasıl üretileceği hakkındaki yeni imkanların bilgisi kimyanın, neyin üretilmesine ihtiyaç duyulduğu ise fiziğin ilgisindedir.
Yarıiletkenlerin üretimi genellikle karmaşık bir işlem olmuştur. Bu işlem için çok yer kaplayan cihazlar kullanılmıştır. En faydalı yarıiletkenler, mümkün olduğunca az kusura sahip olan ve bilimsel anlamda “temiz” olan malzemelerdir. Bu tip yapıların üretimi çok uğraş ve dikkat gerektirir.
Her türlü uygulama için yarıiletkenler çok az kusurla üretilmelidirler. Uygun şartlar hazırlanarak film üretimine başlanılsa bile, bazen işlemin kimyası kusurlara ve şekil bozukluklarına sebep olabilir.
Yarıiletken filmler, farklı üretim teknikleri kullanılarak kaplanacak malzemenin atomlarının ya da moleküllerinin, filmi destekleyerek filmin oluşumuna yardımcı olan bir taban üzerine dizilmesi ile ince bir tabaka halinde oluşturulan yarıiletken malzemelerdir (Bilgin, 2003).
Yarıiletken filmler, geniş yüzeyli olarak üretilebildikleri için teknolojik anlamda önemli bir yere sahiptirler. Bununla birlikte bu filmlerin büyük tane sınırlarına ve üretim tekniklerinden kaynaklanan kusurlara sahip olması gibi dezavantajları da vardır.
Yarıiletken cihazlarda kullanılan filmler uygun kalınlık, bileşim ve yüzeyde pürüzsüzlük gibi bazı önemli özelliklere sahip olmalıdırlar (Atay, 2002).
Yarıiletken filmlerin teknolojik alandaki önemli uygulamalarından birisi fotovoltaik güneş pilleridir. Bu aygıtlarda Si, Ge, GaAs gibi tek kristallerin yanı sıra CdS, CdTe, CdSe, Cu2S, InP, GaP, AgInS2, CuInSe2 ve Cd1-xZnxS gibi polikristal yarıiletken tabakalar da yaygın olarak kullanılmaktadır (Köse, 1993). Polikristal filmler büyük yüzeyli metal, cam, seramik, grafit gibi tabanlar üzerine büyütülebilen, elektrik ve optik özelliklerinden dolayı güneş pili, yarıiletken foto-detektörler gibi birçok uygulama alanı olan, basit ve değişik yöntemlerle elde edilebilen yarıiletken malzemelerdir (Sze, 1981). Temel incelemeler tek kristaller üzerine yapılmasına rağmen, çalışmalar genellikle amorf ve polikristal ince filmler üzerinde ister istemez yoğunlaşmaktadır. Yarıiletken ince film güneş pilleri Si ve Ge gibi tek kristal güneş pillerine göre daha kolay üretilmesi ve ekonomik olmasından dolayı tercih edilmektedir.
Tek kristal güneş pillerine alternatif olarak üretilen yarıiletken ince film güneş pillerinde kullanılacak olan yarıiletken malzemelerin hem basit ve ekonomik bir üretim tekniği ile elde edilmesi hem de üretilen malzemelerin elektrik, optik, yapısal ve yüzeysel özelliklerinin çok iyi bir şekilde incelenmesi gerekmektedir.
İnce filmler güneş pillerinin temel tabakalarından biri olan ve verimlilikleri üzerinde önemli bir etkisi olan pencere materyali olarak kullanılmaktadır. Güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılan ince filmlerin iki temel özelliğe sahip olması gerekir. Bunlar; elektriksel iletkenliğin ve optiksel geçirgenliğin yüksek olmasıdır. Optiksel geçirgenliği yüksek fakat elektriksel iletkenliği düşük olan filmler için uygun madde ile ve uygun miktarda katkılama yapılarak bu filmlerin elektriksel iletkenliği arttırılabilir.
Son yirmi yıldır endüstrinin önemli bir kesimi yarıiletken filmlerin hazırlanması ve bunların fotoelektrik aygıtlardaki koruma, düzenleme ve fabrikasyonu gibi uygulamalarına eğilmektedir. Bu filmlerin optiksel, kimyasal, yapısal ve elektriksel gibi fiziksel özellikleri üzerindeki çalışmalar, malzemelerin bilim ve teknolojideki geniş uygulama alanları nedeniyle büyük bir önem arz etmektedir.
Son yıllarda, gelişmiş elektro-optik özellikleri nedeni ile SİO’ ler de teknolojik kullanımı yaygınlaşan yarıiletken filmler arasına girmişlerdir. SİO’ ler opto-elektronik aygıtların fabrikasyonundaki önemleri nedeni ile yoğun bir şekilde çalışılmaktadır (Lokhande and Uplane, 2001).
Yarıiletken filmler, fotoelektrik alanındaki uygulamaları nedeni ile de ilgi görmektedirler (Uplane et al., 2000). SnO2 ve ZnO gibi oksit filmler opto-elektronik aygıtlarda pencere malzemesi olarak kullanılırlar ve yoğun derecede çalışılmışlardır.
CdO de opto-elektronik alanında umut veren bir materyal olmasına rağmen bununla ilgili çalışmalar yeteri kadar fazla olmamıştır.
1.3 Saydam İletken Oksit Filmler
Son yıllarda, Zn, In, Sn ve Cd oksitlerin filmleri ilgi odağı olmaya başlamıştır.
Bunun ana nedeni, bu filmlerin fotovoltaik güneş pilleri, gaz sensörleri, saydam elektrotlar ve diğer opto-elektronik aygıtlar gibi önemli potansiyel uygulamalarının bulunmasıdır (Carballeda-Galicia et al., 2000).
SİO’ ler doğalarında bulunan mükemmel elektriksel iletkenlik ve optik geçirgenlik karakteristikleri ile dikkat çekerler. SnO2, ZnO ve ITO (indiyum kalay oksit) bu uygulamalar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Farklı uygulamalar için seçilecek SİO malzemesi değişebilir. Örneğin; güneş pillerinde kullanılan SİO’ler güneş spektrumunda yüksek derecede geçirgen, düşük elektriksel dirence sahip, H-plazması altında kararlı ve özellikle a-Si güneş pilleri için uygun yapıya sahip olmalıdırlar. Cam taban üzerine kaplanmış SİO’ in fonksiyonu pencere tabakasına kontak olabilecek geçirgen ve iletken bir davranış sergilemektir (Durose et al., 1999). Diğer uygulamalar için ek kriterler de önem kazanabilir. Bunlar, fiziksel, kimyasal ve ısıl dayanıklılık, iş fonksiyonu, homojenlik, toksitlik ve maliyet gibi etkenler olabilir (Zhao et al., 2002).
SİO malzemelerin birçok yeni uygulama alanı oluşmaya başlamıştır. Bunlar arasında, daha geniş düz ekranlı televizyonları, taşınabilir bilgisayarlarda daha geniş ve yüksek çözünürlüklü ekranları, düşük yayınımlı ve elektro-kromik pencereleri, önemi sürekli artan ince film fotovoltaikleri ve şık göstergeli, iyi dizaynlı yeni aygıtları sayabiliriz. SİO malzemelerin artan önemi bu yeni teknolojilerle bir araya geldiğinde son yedi yılda SİO’ lerin bilim açısından gerekliliği daha iyi anlaşılmıştır. Bunların içinde, yeni n-tipi malzemeler, gerçek p-tipi malzemelerin sentezi ve p-tipi ZnO üretimi için katkılama yeteneğinin arttırılması için teorik ve deneysel çalışmalar yer almaktadır.
Son yirmi yılda çalışmaların deneysel olduğu ve ZnO ile ITO’ in türevleri üzerinde odaklandığını düşündüğümüzde, son zamanlarda SİO teknolojisinin ne kadar hızlı bir gelişim içinde olduğu açıkça görülmektedir. Bu durum sadece aygıtlarda daha yüksek performans sağlamakla ilgili değil aynı zamanda geçiş metali tabanlı oksitlerin elektro-
optik aygıtlardaki artan önemi ile de ilgilidir. Endüstriyel perspektifi baz alan yeni n-tipi ve p-tipi malzemeleri, yeni çöktürme tekniklerini araştıran ve malzemelerin kendilerini olduğu kadar performans sınırlarını da inceleyen çalışmaların sayısı giderek artmaktadır (Ginley and Bright, 2000).
SİO kaplamalar fotovoltaik güneş pilleri, düz panel göstergeler ve opto- elektronik elemanların gelecekteki dizayn ve yapılarında önemli rol oynayacaktır. Tüm SİO’ ler geniş bant aralıklarına ve spektral olarak seçici karakteristiklere sahiptirler.
SİO’ ler bu aygıtlarda hem pencere malzemesi hem de iletken kontak tabakası olarak kullanılabilirler. SİO kaplamaların optiksel ve elektriksel özellikleri işlem parametrelerine çok duyarlıdır. Ayrıca film bileşimine, yapısına, kristalleşme seviyesine, kusur yoğunluğuna, yüzey pürüzlülüğüne ve katkı konsantrasyonuna da bağlıdır. Daha önce de belirtildiği gibi ITO şu anda en yaygın kullanılan SİO’ lerden birisidir. Bununla birlikte alternatif ve daha ucuz olan kaplama malzemeleri de ilgi görmeye başlamıştır. Bunlara bir örnek; Alüminyum (Al) katkılı ZnO filmleridir (ZnO:Al). Bu malzemede çöktürme hızı daha yüksektir ve çevresel olarak daha uzun süre dayanıklıdır. ZnO:Al malzemesinde Al katkısı, optiksel ve elektriksel özellikleri değiştirmek ve kimyasal kararlılığı arttırmak için kullanılır (Kelly et al., 2003).
SİO’ ler mimari pencereler, düz panel göstergeler, ince film fotovoltaikler, şık pencereler ve polimer bazlı elektronik gibi birçok uygulamada kullanım alanı bulurlar.
Bu uygulamaların bazıları çok büyük pazar payına sahiptir ve bu durum da SİO’ lerin büyük ticari önemini gösterir. SnO2, CdO ve Cd2SnO4 gibi yarıiletken SİO’ ler yüksek kalitedeki elektrik ve optik özellikleri açısından büyük teknolojik ilgi görmüşlerdir.
Cam üzerine kaplanmış iletken SnO2 filmleri dayanıklılıkları nedeni ile düşük yayınımlı cam pencerelerde enerji korunumu için ve ince film güneş pillerinde yoğun olarak kullanılırlar (Li et al., 2001).
SİO malzemeler elektromanyetik spektrumun görünür ve yakın IR bölgelerinde yüksek geçirgenliğe ve IR bölgesinde ise yüksek yansıtıcılığa sahiptir. Bu filmlerdeki elektriksel iletkenlik temelde stokiyometrik olmayan film yapısına bağlıdır. Bu tip
yapılarda metalik ara durumlar ve oksijen eksikliği gibi kusurlar bulunur (Gurumurugan et al., 1997).
Yarıiletken oksitler işlevsel malzemeler, aygıtlar ve sistemlerin gelişmesinde temel oluştururlar. Oksitlerin, değişken katyon değerliği ve ayarlanabilir oksijen eksikliği olmak üzere kendilerine has iki yapısal özelliği vardır. Bu özellikler sayesinde yeni ve ayarlanabilir elektriksel, kimyasal, optiksel ve manyetik özelliklere sahip malzemeler elde edilebilir (Wang and Kang, 1998). Bu oksit malzemelerin nano yapılarının sentezi de kontrol edilebilen bir yapı ve morfoloji ile bilimsel ve teknolojik uygulamalar için çok önemlidir (Wang, 2003).
1.4 CdO Filmleri
CdO, 1907’ de ilk bulunan SİO’ lerden biri olmasına rağmen (Ramakrishna et al., 2003), belki de üzerinde en az çalışma yapılan malzemelerdendir. Son on yılda kimyasal püskürtme, kimyasal buhar depolama, kadmiyum oksidasyonu gibi tekniklerle hazırlanan CdO filmlerinin elektriksel özellikleri çalışma konusu olmuştur (Rusu and Rusu, 2005). Son yıllarda, foto-transistörlerde (Lokhande and Uplane, 2001), ara tabakalar olarak diyotlarda, güneş pillerinde, gaz sensörlerinde, sıvı kristal göstergelerde ve anti-yansıtıcı kaplamalarda uygulama alanı bulmuştur. Bu yüzden, bu malzemenin çalışılması ve özellikle ucuz ve kütle üretimine uygun tekniklerle (kimyasal buhar depolama ve kimyasal püskürtme gibi) üretilmesi önemlidir (Ferro et al., 2001).
CdO filmleri dar optik bant aralıkları nedeni ile fazla ilgi görmemiş SİO’ lerdendir. Bununla birlikte, şu anki saydam iletken oksitlerden 5-10 kat daha fazla
elektron mobilitesine sahip olmaları bu filmler için önemli bir avantajdır (Li et al., 2001).
Bütün SİO’ ler arasında CdO belki de en az ilgi gören malzemedir. Bunun sebepleri; Cd elementinin zehirli olması ve CdO’in dar bant aralığıdır. CdO n-tipi bir yarıiletkendir ve bant aralığı 2.28 eV civarındadır. Bu değer en çok kullanılan SİO’ lerden olan SnO2 (3.6 eV) ve ITO (3.6 eV) filmlerininkinden daha düşüktür. CdO filmleri kübik bir yapıya sahiptir. 250 °C’nin altındaki sıcaklıklarda bu malzeme zayıf kristalleşir ve taneler cam taban üzerinde rasgele yönlenirler. 300 °C ve üzerinde ise CdO filmleri iyi bir kristalleşme seviyesine sahip olurlar ve genelde (200) doğrultusunda bir tercihli yönelime sahip olurlar. Bu filmler katkısız halde bile oldukça yüksek bir taşıyıcı yoğunluğuna sahiptirler. Taşıyıcı yoğunluğu sıcaklığa duyarlıdır ve
sıcaklık arttığında taşıyıcı yoğunluğu azalırken, elektron mobilitesi
∼1’den ∼220 cm2 V-1 s-1’ ye çıkar. Görünür bölgede SnO2’ den daha düşük geçirgenliğe sahiptir. Dar bant aralığı nedeni ile açık sarı renkte görünür (Li et al., 2001).
CdO, yüksek elektriksel iletkenliğe sahip n-tipi, dejenere bir yarıiletkendir.
Yüksek elektriksel iletkenlik; elektron mobilitesine (∼200 cm2 V-1 s-1), yüksek taşıyıcı konsantrasyonuna ve doğasında var olan stokiyometrik olmama nedeniyle oluşmuş sığ donörlere bağlıdır (Jayakrishnan and Hodes, 2003). CdO, en basit Cd tabanlı oksittir (Kawamura et al., 2003). Sodyum klorür yapısında kristalleşir. Genelde katkılanmamış filmler de donör olarak davranan fazla Cd atomları veya oksijen boşluklarının varlığında n-tipi iletkenlik gösterir (Ferro and Rodriguez, 1999).
Yüksek elektriksel iletkenliğe ve optiksel geçirgenliğe sahip malzemeler gelecekteki düz ekranlar, güneş pilleri, organik LED (ışık yayan diyot) ve diğer opto- elektronik teknolojilerde önemli yer tutacaklardır (Asahi et al., 2002).
CdO’ in elektriksel özellikleri çöktürme şartları ile kontrol edilebilir. CdO filmleri sputtering, kimyasal buhar depolama, aktif reaktif buharlaştırma, çözelti büyütme, ısıl oksitlenme, sol-gel ve kimyasal püskürtme gibi tekniklerle üretilir.
CdO uygun elektriksel iletkenlik ve optiksel geçirgenlik özellikleri ile görünür bölgeden kızıl ötesine yayılan bir dalgaboyu aralığında kullanım potansiyeli olan bir malzemedir. Bu malzemenin yakın gelecekte opto-elektronik alanında ZnO tabanlı hetero-yapıların üretiminde aktif tabaka olarak kullanımı dikkat çekecektir. Bunun nedeni; iki malzeme arasındaki ∼1 eV’ luk enerji farkının eksiton düzenlenmesi için geniş bir bölge olmasıdır (Ashrafi et al., 2002).
CdO, güneş spektrumunun görünür bölgesinde yüksek elektriksel iletkenlik ve optiksel geçirgenlik özellikleri ile güneş pili uygulamalarında kullanılır ve CdTe ve CIS (kadmiyum indiyum sülfür) hetero-eklemleri için de pencere tabakası olarak kullanım için aday bir malzemedir (Tabet-Derraz et al., 2002).
II-VI grubu yarıiletkenlerinden olan hegzagonal ZnO ve kübik CdO n-tipi malzemeler olarak saydam iletken oksit uygulamaları için uygun fiziksel karakteristiklere sahiptirler (Ye et al., 2003).
II-VI oksit yarıiletkenlerin epitaksiyel tabakaları üzerinde de UV, LED ve yarıiletken lazer gibi opto-elektronik aygıt uygulamaları nedeniyle artan bir ilgi vardır.
Özellikle, düşük özdirençli ve görünür bölgeden IR’ ye yüksek geçirgenlikleri ile CdO, fotovoltaikler, hetero-eklem güneş pilleri ve göstergeler için SİO olarak kullanılmaktadır (Kim et al., 2003).
Opto-elektronik aygıtların düşük maliyet ve yüksek performans gereksinimleri yeni ve daha verimli SİO’lerin araştırılmasına yol açmıştır. Bu malzemeler özellikle güneş pili, sıvı kristal göstergeler, foto-termal dönüşüm sistemleri, gaz sensörleri, optiksel durum sensörleri gibi uygulamalarda gerekli olmaktadır (Nunes et al., 2002).
1.5 Amaç
Günümüzdeki SİO teknolojisi sadece birkaç malzemeye bağlı kalmaktadır. Son birkaç yıldır ZnO, SnO ve ITO tabanlı malzemelerin SİO teknolojisinde yeterli olduğu düşüncesi değişmeye başlamıştır. Bunun nedeni, mevcut malzemelerin performans sınırlarının artık daha iyi anlaşılması ve üretilebilecek yeni ve düşük maliyetli malzemelerle performans sınırlarının genişletilebileceği umududur. Daha yüksek yazım hızına sahip ve daha geniş göstergeli aygıtlara olan ihtiyaç mevcut SİO malzemelerin sınırlarını daha kritik bir hale getirmiştir. SİO malzemelerde özdirenci azaltmak ve bu arada da geçirgenliği muhafaza etmek önem kazanmıştır (Ginley and Brigt, 2000).
Katkılama ve çöktürme sonrası işlemler bu özellikleri sağlayabilmek için yapılabilecek çalışmalardır.
Yeni malzemelere olan ihtiyaç SİO’lerin yeni potansiyel kullanımlarını da gündeme getirmiştir. Örneğin; günümüzde daha fazla ihtiyaç duyulan yerlerde yeni uygulamalar ve yeni hetero-yapı uygulamaları gibi. Böylece SİO’ler sadece elektro- optik özellikleri ile değil, aynı zamanda ara yüzey ve malzeme uyumluluğu özellikleri ile de ihtiyaç duyulan malzemeler olmuşlardır. CdO ise SİO malzemeler içinde, özellikle son yıllarda önemi anlaşılmaya başlanan ve gelecekteki teknolojik uygulamalarda ticari olarak daha çok kullanım alanı bulacağına inandığımız bir malzemedir.
SİO malzemeler içinde CdO üzerinde yapılan çalışmalar son yedi yıla kadar oldukça kısıtlıydı. Ancak CdO, foto-diyot, foto-transistor, fotovoltaik piller gibi opto- elektronik aygıtların üretiminde önemli bir malzemedir ve son yıllarda bu malzeme üzerinde yapılan çalışmalar CdO’in teknolojik uygulama alanı açısından zengin bir malzeme olduğunu göstermektedir (Gurumurugan et al., 1997). CdO filmlerinin yukarıda bahsedilen teknolojilerde kullanımı için uygunluğunu araştırmak ve film karakteristiklerini incelemek amacıyla bu çalışmada, Al katkılama ve tavlama işlemlerinin bu filmlerin bazı fiziksel özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu
amaç kapsamında, filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri, kristal yapıları ve yüzey morfolojileri incelenmiş ve elemental analizleri yapılmıştır.
Alternatif ve daha ucuz kaplama malzemelerine olan ihtiyaç, ayrıca CdO’ in ilginç elektriksel ve optiksel karakteristikleri bizi bu malzeme üzerinde çalışmaya iten faktörlerdendir. CdO, ara durum Cd veya O boşluklarının stokiyometrik olmayan şartları altında incelenmesi gereken elektriksel özellikler sergiler ve bu özelliklerle birlikte iletim mekanizması üzerinde yapılmış çok kısıtlı çalışma vardır.
Katkı malzemesi olarak Al seçilmiştir. Al katkısı, elektriksel ve optiksel özellikleri değiştirmek ve kimyasal kararlılığı arttırmak için uygun bir malzemedir.
Yapılan çalışmalar (Kelly et al., 2003) ZnO’ e Al katkılandığında bu malzemenin çevresel olarak daha uzun süre kararlı olduğunu ve çöktürme hızının daha yüksek olduğunu göstermektedir. Katkılama işlemi, CdO’in karakteristiklerini değiştirmek için önemli bir işlemdir. CdO’e katkılama yapılarak bant aralığı enerjisi, elektriksel özdirenç, optiksel geçirgenlik, yapısal yönelim, kristalleşme seviyesi gibi karakteristiklerin önemli derecede değiştiği görülmüştür.
Katkılamanın yanında tavlama işlemi de filmlerin özelliklerini değiştirebilir.
Bununla ilgili yapılan çalışmalar (Vigil et al., 2001) birçok optiksel, elektriksel, yüzeysel ve mikro-yapısal özelliğin tavlama işlemi ile değiştiğini göstermektedir.
Özellikle özdirenç, yüzey morfolojisi ve kristal yapı ısıl işleme çok duyarlıdır. Elde edilen filmlerin karakteristiklerini iyileştirmek amacı ile bu çalışmada CdO filmleri üç farklı sıcaklıkta tavlama işlemine tabi tutulmuştur.
CdO filmleri üzerine In, Sn ve F gibi katkı elementlerinin etkisinin incelendiği birçok çalışma mevcuttur. Ancak, Al elementi ZnO filmlerinde katkılama için çok çalışılmasına rağmen, CdO filmleriyle alternatiflerin denenmesi üzerine literatürde bir çalışma yoktur. Çok yakın bir zaman önce sol-gel tekniği ile Al katkılı CdO filmleri elde edilmiş ve bazı özellikleri incelenmiştir (Maity and Chattopadhyay, 2005).
2. CdO FİLMLERİNİN ELDE EDİLMESİ
2.1. Giriş
Yarıiletken ince filmlerin elektrik, optik, yapısal ve yüzeysel özellikleri üzerine farklı atom katkılanmasının ve tavlamanın etkisinin büyük rol oynadığı bilinmektedir.
Bu çalışmada CdO filmleri farklı oranlarda Al ile katkılanmış ve farklı sıcaklıklarda hava içerisinde tavlama işlemine tabi tutulmuştur. Filmler basit ve ekonomik bir üretim tekniği olan ultrasonik kimyasal püskürtme (UKP) tekniği kullanılarak elde edilmiştir.
Al katkısı %1, 2 ve 3 ve tavlama sıcaklığı 250, 350 ve 450 °C olarak seçilmiştir.
2.2. Kimyasal Püskürtme Tekniği
Yarıiletken teknolojisinin opto-elektronik dünyasında oldukça ileri seviyelere ulaşması ve günümüzde yaygın olarak kullanılan transistör, diyot, fotovoltaik güneş pili ve dedektörlerin temel taşını oluşturması yarıiletken malzemelerin üretimine yönelik çalışmalara hız kazandırmıştır. Yarıiletken filmlerin elde edilmesinde vakumda buharlaştırma, rf sputtering, kimyasal buhar çöktürme, elektro çöktürme ve kimyasal püskürtme gibi farklı teknikler kullanılmaktadır (Choy and Su, 2001; Palafox et al., 1998). Yöntem seçiminde fiziksel ve kimyasal özellikler ile bu malzemelerin teknolojik kullanımında istenen teknik özellikler önemli rol oynar. Ancak üretimde esas olan çöktürülecek yarıiletken malzemelerin hem yüksek kaliteye sahip olması hem de ekonomik ve kolay bir üretim tekniği ile elde edilmesidir. Bu açıdan bakıldığında kimyasal püskürtme tekniği diğer üretim tekniklerine göre geniş yüzeylere ince film üretiminin kolay ve ekonomik olmasıyla oldukça dikkat çekmektedir.
Kimyasal püskürtme tekniği, elde edilecek malzemenin elementlerini içeren tuzlarından belirli konsantrasyonlarda ve hacimlerde hazırlanan sulu çözeltisinin
önceden ısıtılmış cam, metalik veya seramik tabanlar üzerine belirli bir akış hızında belirli bir süre taşıyıcı gaz olarak azot gazı veya hava kullanılarak püskürtülmesine dayanan bir tekniktir. Katı filmler kimyasal reaksiyon sonucunda tabanlar üzerinde oluştuğu için, bu teknik kimyasal bir teknik olarak bilinir.
Kimyasal püskürtme tekniği ilk olarak Chamberlin ve Skarman tarafından 1966 yılında CdS ile diğer inorganik sülfit ve selenitli ince filmleri üretmek için kullanılmıştır (Chamberlin and Skarman, 1966). Bu teknik günümüzde saydam yarıiletken filmleri elde etmek için de tercih edilmektedir. Bu tekniğin yaygın olarak kullanılmasının bazı sebepleri şunlardır: (i) sistemde kullanılan malzemelerin kolay bulunması ve ekonomik olması (ii) düşük enerji ihtiyacı (iii) vakum gerektirmemesi. Teknikte kullanılan deney sisteminin parçalarının kolay bulunması, karmaşık aletler içermemesi ve diğer tekniklere göre maliyetinin düşük olmasından dolayı sistemin hemen hemen %90’ ı yerel imkanlarla sağlanabilir. Bu sistemin maliyeti özellikle vakum gerektiren sistemlerinkinden oldukça düşüktür.
Kimyasal püskürtme tekniği II-VI grup bileşiklerinin ve bunların üçlü, dörtlü ve beşli alaşımlarının elde edilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır (Zor, 1982). Bu teknikle üretilen malzemelere örnek olarak CdS, ZnS, ZnSe, CdSe, CdInS, CdZnS, CdAlS, CdSnS gibi ikili ve üçlü sistemler verilebilir. Günümüzde bu teknik kullanılarak CdO, ZnO, SnO2 gibi saydam iletken oksitler de başarılı bir şekilde üretilmektedir.
Ayrıca bu teknik, fotovoltaik heteroeklem güneş pillerinin oluşturulmasında da kullanılan bir tekniktir. Kimyasal püskürtme tekniği ile elde edilen filmler genellikle polikristal olup, yüksek özdirence ve düşük mobiliteye sahiplerdir.
Her üretim tekniğinin olduğu gibi kimyasal püskürtme tekniğinin de bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bu tekniğin en önemli avantajları basit ve ekonomik olması, düşük enerji tüketimi sağlaması, katkılama olayının basit olması ve vakum gerektirmemesidir (Goyal et al., 1992; Riad et al., 2001; Beck and Cocivera, 1996;
Thangaraju, 2002). Ayrıca üretilen malzemelerin özellikleri püskürtme şartlarının uygun bir şekilde ayarlanması ile kontrol edilebilir ve değiştirilebilir. Püskürtme parametrelerindeki değişimler çöktürülen filmlerin özelliklerini önemli ölçüde etkiler.
Kimyasal püskürtme tekniğinde elde edilen yarıiletken malzemelerin fiziksel özelliklerini etkileyen deneysel parametreler püskürtme çözeltisinin konsantrasyonu ve miktarı, taban sıcaklığı, püskürtme başlığı ile taban arasındaki mesafe, kullanılan katkı elementinin cinsi ve miktarı, püskürtme hızı ve zamanı, taşıyıcı gaz ve tabanın cinsidir (Krishnakumar et al., 1987). Bu deneysel parametrelerin değiştirilmesi ile yarıiletken malzemelerin kalınlığı, yasak enerji aralığı, elektrik ve optik özellikleri değiştirilebilir (Afıfy et al., 1991; Pamplin, 1979). Ayrıca bu teknik endüstriyel uygulamalarda büyük ölçekli kaplamaların seri üretimi için uygulanabilen bir tekniktir. Kimyasal püskürtme tekniğinin dezavantajları ise homojen kalınlıklı malzemelerin üretilememesi, çöktürme hızının düşük olması, metal ve tek kristal ince filmlerin elde edilememesidir.
Kimyasal püskürtme tekniğinde taban olarak silikatlı ve metalik tabanlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Yalıtkan olan silikatlı tabanlar çöktürme işleminden önce saydam ve iletken olan bir tabakanın çöktürülmesini gerektirir. Metalik tabanlar ise genellikle alüminyum, titanyum ve tungsten gibi metallerle kaplanmış çelik tabanlardır (Bilgin, 2003; Fang et al., 1987).
Kimyasal püskürtme tekniğinde başlangıç püskürtme çözeltisi püskürtme başlığı kullanılarak atomize edilir ve ince damlacıklar halinde filtreli bir taşıyıcı gaz yardımı ile tabanlar üzerine püskürtülür. Bu teknikte etkili bir atomizasyon sağlayabilmek için hava akış yoğunluğunun sıvının akış yoğunluğuna eşit veya daha küçük olması gerekmektedir. Püskürtme başlığının geometrisi, püskürtme yapısını, damlacıkların boyutunu ve püskürtme oranını önemli ölçüde etkiler ve bunun sonucunda da elde edilen filmlerin oluşma kinetiği ile kalitesi belirlenir. Kimyasal püskürtme tekniği ultrasonik püskürtme başlıklı bir parça eklenerek geliştirilebilir. Bu durumda teknik ultrasonik kimyasal püskürtme (UKP) tekniği olarak adlandırılır. UKP tekniğinde bulunan osilatör adı verilen bir güç vericisine bağlı püskürtme başlığı sayesinde belirli frekansta gönderilen ultrasonik dalgalar püskürtme çözeltisinin daha iyi atomize edilmesini sağlayarak damlacık boyutunu küçültür ve böylece daha homojen dağılımlı kaliteli malzemeler üretilebilir (Taniguchi et al., 2002; Ivanov-Schitz et al., 2001). Bu çalışmada CdO filmlerini üretmek için UKP tekniği kullanılmıştır. Bu tekniğin şematik diyagramı ve fotoğrafı sırası ile Şekil 2.1. ve Şekil 2.2.’ de verilmektedir.
Şekil 2.1. Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinin şematik diyagramı.
Şekil 2.2. Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniğinin fotoğrafı.
(1) püskürtme odacığı
(2) ultrasonik püskürtme başlığı (3) hareketli tava
(4) cam tabanlar
(5) gömme rezistanslı bronz blok (6) osilatör
(7) 1. termoçift (8) 2. termoçift (9) akış hızı ölçer (10) çözelti kabı
(11) ısıtıcılı-manyetik karıştırıcı (12) yüzey sıcaklık göstergesi (13) ısı kontrol edici düzeneği (14) masa
(15) hava kompresörü (16) fan
(17) osilatör kablosu (18) çözelti akış hortumu (19) hava hortumu (20) ac ampermetre (21) ac voltmetre
(22) içi kısmen su dolu kap
Kimyasal püskürtme tekniğinde 1×1×1 m boyutlarında olan püskürtme odacığı, arası yalıtılmış çift kat paslanmaz çelikten yapılmıştır. Üretim esnasında oluşan püskürtme odası içerisindeki boşaltma gazları salyangoz fan kullanılarak içi kısmen su dolu kapalı bir kaptan geçirilmiş ve bir boru ile temizlenmiş hava olarak dışarı atılmıştır.
Kimyasal püskürtme tekniğinde payreks camdan veya paslanmaz çelikten yapılan püskürtme başlığı başlangıç püskürtme çözeltisinin tabana ulaşmasını sağlar.
Üretilen filmlerin homojenliği ve kalitesi püskürtme başlığının tipine bağlı olarak değişim gösterir. Bu teknikte normal cam, ultrasonik, döner ve elektrostatik püskürtme başlıkları kullanılır. Daha homojen filmler lineer olarak ileri geri hareketli veya döner veya çözelti çıkış kısmı düzgün geometriye sahip bir püskürtme başlığı kullanılarak elde edilebilir. Ultrasonik püskürtme başlığı kullanılarak elde edilen filmlerin yüzeylerinin düzgün ve daha kaliteli oldukları bilinmektedir. Püskürtme işlemi boyunca ultrasonik püskürtme başlığının çıkış kısmında tortular ve aşınmalar oluşmakta ve bu durum taban üzerine ulaşan damlacıkların geometrisini bozmaktadır. Bunun sonucunda taban sıcaklığında ani değişimler olmakta ve cam tabanlar sıcaklık farkından dolayı kırılabilmektedir. Bu istenmeyen durumları önleyebilmek için püskürtme başlığının çıkış kısmının düzgün olmasına dikkat edilmeli ve başlık ara sıra değiştirilmelidir.
Kimyasal püskürtme tekniğinde taban sıcaklığı gömme rezistanslı bronz bloklu bir elektrik ısıtıcısı (5000–6000 watt) ile sağlanmakta ve demir-konstantan termoçift ile kontrol edilmektedir. Taban sıcaklığı termoçift ile direkt veya dolaylı olarak okunabilir.
Termoçiftin çıkışına bir dijital gösterge bağlanırsa taban sıcaklığı direkt olarak okunur.
Termoçift ile taban arasına çok az miktarda indiyum konularak ısıl iletim sağlanmaktadır. Bu teknikte taban sıcaklığının sabit bir değerde tutulması çok zordur ve belirlenen taban sıcaklığından ± 5 °C gibi bir sapma olmaktadır. Püskürtme esnasında taban sıcaklığı püskürtme ve kullanılan taşıyıcı gazın etkisiyle düşmektedir. Bundan dolayı istenen sıcaklıkta film üretebilmek için püskürtme yapılmadan önce taban daha yüksek sıcaklıkta ısıtılmalıdır. Taban sıcaklığının düşük veya yüksek olması filmlerin tabana tutunmasını, kalınlıklarını ve dolayısıyla fiziksel özelliklerini önemli derecede
etkiler. Düşük taban sıcaklığı filmlerin kalın olmasına ve yüksek taban sıcaklığı ise filmlerin daha ince olmasına sebep olur (Köse, 1993).
Kimyasal püskürtme tekniğinin önemli parametrelerinden biri çözelti akış hızıdır. Akış hızı elde edilen filmlerin fiziksel özelliklerini önemli derecede etkiler. Bu teknikte çözelti akış hızı ya akış hızı ölçer (1–20 ml/dk) kullanılarak ya da püskürtülen toplam çözelti miktarının püskürtme zamanına oranı alınarak belirlenebilir. Akış hızı için uygun değerler 2–10 ml/dk arasındadır. Akış hızında ani değişiklikler taban sıcaklığının değişmesine neden olmaktadır. Püskürtme hızının yüksek olması taban sıcaklığının kontrolünü zorlaştırmakta ve düşük olması ise atomize edilmiş damlacıkların tabana daha geç ulaşmalarına veya tabana ulaşmadan buharlaşmalarına neden olmaktadır. Ayrıca püskürtme hızının yüksek olması film kalınlığını arttırırken, düşük olması film kalınlığının azalmasına yol açmaktadır.
Kimyasal püskürtme tekniğinde cam tabanlar 15x15x2 cm ebatlarında gömme rezistanslı bronz blok veya bakır blok üzerine yerleştirilir. Zamanla bu bloklar üzerinde oksit tabakaları oluştuğu için, blok sert veya radyal fırçalarla temizlenmelidir.
Kimyasal püskürtme tekniğinde püskürtme çözeltisini tabana ulaştırmak için azot gazı (0.1–0.2 kg.cm-2) veya sıkıştırılmış hava (1-2 bar) olmak üzere iki tip taşıyıcı gaz kullanılabilir. Taşıyıcı gaz olarak azot kullanılmasının sebepleri soğutucu etkisi, püskürtme işlemi boyunca ortamdaki havayı uzaklaştırması ve diğer elementlerle etkileşmemesidir.
Taban ile püskürtme başlığı arasındaki uzaklık üretilen malzemelerin kalınlıkları ve fiziksel özellikleri üzerinde önemli rol oynar. Bu uzaklık genellikle 30–40 cm arasında değişmektedir. Püskürtme başlığının tabana yakın olması durumunda taban üzerinde bazı tortular oluşmakta ve bu durum taban sıcaklığının ani bir şekilde düşmesine neden olmaktadır. Daha uzun mesafelerde ise tabana ulaşan damlacıkların miktarı azalmakta, taban sıcaklığı artmakta ve sonuç olarak elde edilen filmler düzgün kalınlıklara sahip olmamaktadır.
Bu teknikte, filmlerin fiziksel özelliklerini etkileyen diğer bir parametre püskürtülen çözelti miktarıdır. Filmlerin kalınlıkları püskürtme çözeltisinin miktarı değiştirilerek kontrol edilebilir. Ayrıca toplam çözeltinin hacimsel dağılımı değiştirilerek katı film içindeki elementlerin atomik ve elemental ağırlıkları da kontrol edilebilir. Püskürtme çözeltisinin molaritesi ve pH değeri de filmlerin elektrik, optik ve yüzeysel özelliklerini önemli derecede etkiler. Örneğin yüksek molariteli çözeltiler kullanıldığında film kalınlığı ve film içerisindeki elementlerin miktarı artacaktır.
Kimyasal püskürtme tekniğinde püskürtme zamanı da önemli bir parametredir ve filmlerin fiziksel özellikleri üzerinde etkisi vardır. Püskürtme zamanının uzun veya kısa olması üretilen filmlerin kalınlıklarının dolayısı ile fiziksel özelliklerinin değişmesine neden olmaktadır.
2.3. CdO Filmlerinin Elde Edilmesi
CdO filmleri 300 ± 5°C taban sıcaklığında mikroskop cam tabanlar (Objekttrager, 1 × 1 cm2) üzerine UKP tekniği kullanılarak elde edilmiştir.
Filmlerin üretilmesi için Cd, O ve Al elementlerini içeren kimyasal maddelerin çözeltileri çözücü olarak deiyonize su kullanılarak hazırlanmıştır. Filmlerin elde edilmesinde Cd ve O kaynağı olarak kadmiyum asetat [Cd(CH3COO)2.2H2O, 0.1 M] ve Al kaynağı olarak alüminyum klorür [AlCl3.6H2O, 0.1 M] kimyasal tuzlarının sulu çözeltileri kullanılmıştır. Başlangıç püskürtme çözeltisi toplam 200 ml olarak hazırlanmış ve tüm filmler için püskürtme çözeltisi miktarı sabit tutulmuştur. Püskürtme çözeltisi; oluşabilecek tortulanmaları önlemek amacıyla, hem püskürtme işleminden önce hem de püskürtme işlemi esnasında manyetik karıştırıcı ile sürekli olarak karıştırılmıştır.
Başlangıç püskürtme çözeltisi, 1 bar basınçlı hava (kompresör) yardımı ile yaklaşık olarak 40 dk süre ile püskürtülmüştür. Püskürtme hızı (5 ml dk-1) akış hızı
ölçer ile kontrol edilmiştir. Taban sıcaklığı elektrik ısıtıcısı ile sağlanmış ve demir- konstantan termoçift yardımı ile sıcaklık göstergesinden direkt olarak gözlenmiştir.
Taban olarak kullanılan mikroskop camları ve püskürtme başlığı arası mesafe ~35 cm olarak sabitlenmiş ve tüm filmler için çözeltiler aynı mesafeden püskürtülmüştür.
Filmler, üretim tamamlandıktan sonra püskürtme odacığı içerisinde 8–10 saat soğumaya bırakılmışlardır. Daha sonra filmler ölçümler için saklama kapları içerisinde tutulmuşlardır.
CdO filmleri içerisine %1’ lik adımlarla ilerleyerek katkı oranı %1-%3 arasında değişecek şekilde Al elementi katkılanmıştır ve filmler sırası ile A0 (katkısız CdO filmleri), A1, A2 ve A3 olarak adlandırılmıştır. Ancak bu katkı oranları başlangıç püskürtme çözeltisi içerisindeki Al miktarını göstermektedir. Yukarıda belirtilen işlemler yapılarak katkısız ve farklı Al katkı oranlarında toplam 4 adet CdO filmi elde edilmiştir. Ayrıca katkısız CdO filmleri 1 saat süre ile 250, 350 ve 450 °C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta tavlama işlemine tabi tutulmuştur ve bu filmler de sırası ile B1, B2 ve B3 olarak adlandırılmıştır. Tavlama işlemi Eurotherm yüksek sıcaklık fırını cihazında yapılmıştır.
Filmlerin kalınlıkları bilgisayar kontrollü Leitz PMM 12106 kalınlık ölçüm cihazı ile ölçülmüştür. Al katkılanmış ve tavlanmış CdO filmlerinin kalınlıkları Çizelge 2.1.’ de verilmektedir. Bu çizelge incelendiğinde CdO filmlerinin kalınlıklarının yapıya giren Al miktarının artması ile arttığı ve tavlama sıcaklığının artması ile azaldığı görülmektedir.
Çizelge 2.1. CdO filmlerinin üretim parametreleri.
Çözelti miktarı (ml) Malzeme
Kadmiyum asetat
Alüminyum
klorür Toplam
Kalınlık (µµµµm)
A0 200 - 200 2.00
A1 198 2 200 2.58
A2 196 4 200 3.70
A3 194 6 200 3.88
B1 200 - 200 1.25
B2 200 - 200 1.08
B3 200 - 200 1.05
2.4. CdO Filmlerinin Elemental Analizleri
SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) cihazında mikroanaliz numune üzerine odaklanan elektron demetinin yarattığı x-ışınları sinyallerinin şiddet dağılımı ve enerjilerinin ölçülmesi ile gerçekleştirilir. Enerji dağılım spektrometresinin eklenmesi ile malzemelerin elemental bileşimleri hakkında bilgi edinilebilir. CdO filmleri içerisinde başlangıç püskürtme çözeltisinde bulunan Cd, O ve Al elementlerinin varlığını doğrulamak amacı ile Zeiss Supra 50VP SEM cihazına bağlanmış enerji dağılımlı x-ışınları spektroskopisi (EDS) kullanılarak tüm filmlerin mikroanalizleri yapılmıştır.
EDS analizlerinden CdO filmlerine Al elementinin katkılanması sonucunda Al elementinin yapıya istenilen oranlarda giremediği belirlenmiştir. EDS analizi ile elde edilen veriler Çizelge 2.2.’ de verilmektedir. Çizelge 2.2.’ den görüldüğü gibi, başlangıç püskürtme çözeltisindeki Al konsantrasyonunun miktarı arttırılmasına rağmen, A2 ve A3 numuneleri için Al miktarının değişimi azdır. Bu durum yüksek konsantrasyonlarda
Al elementinin katkılama veriminin azaldığını göstermektedir. Şekil 2.3.’ de numunelerdeki Al ağırlık yüzdeleri grafiksel olarak verilmiştir.
Çizelge 2.2. EDS analizi ile elde edilen veriler.
Cd O Al Si
Malzeme Ağ.
%
Atomik
%
Ağ.
%
Atomik
%
Ağ.
%
Atomik
%
Ağ.
%
Atomik
%
A0 53.10 16.56 26.47 58.00 - - 14.45 18.04
A1 76.38 34.43 17.10 54.13 0.12 0.23 4.85 8.75
A2 42.31 11.55 30.78 59.05 0.58 0.66 18.45 20.16
A3 36.89 9.47 33.07 59.62 0.63 0.68 20.81 21.38
B1 37.36 9.60 33.22 59.97 - - 21.51 22.12
B2 35.81 9.06 34.08 60.56 - - 22.76 23.04
B3 37.48 9.64 33.23 60.03 - - 21.79 22.42
Şekil 2.3. Elde edilen numunelerde Al ağırlık yüzdelerinin değişim grafiği.
Şekil 2.4.(a) ve Şekil 2.4.(b)’ de sırası ile CdO filmlerinde Cd ile Al elementlerinin ağırlık yüzdeleri ve Al/Cd atomik oranı verilmektedir. Bu şekiller incelendiğinde düşük Al katkısının (A1) Cd atomunun yapıya girişini arttırdığı, fakat yüksek Al konsantrasyonlarında Cd elementinin yapıda daha az yer aldığı görülmektedir. Şekil 2.5’ de ise CdO filmlerinde Al ve O elementlerinin ağırlık yüzdeleri verilmektedir. Şekil 2.5’ ten yüksek Al konsantrasyonlarında oksijenin yapıya daha fazla tutunduğu anlaşılmaktadır. 3 değerlik elektronu olan Al yapıya girdiğinde O ile kovalent bağ yapma olasılığı daha yüksektir. Al atomları çevreden bir elektron alarak O ile kovalent bağ oluşturabilir.
Şekil 2.4. CdO için a) Cd ve Al’ nin ağırlık yüzdeleri b) Al/Cd atomik oranı.
Şekil 2.5. CdO filmlerinde Al ve O elementlerinin ağırlık yüzdeleri.
Yüksek Al katkısı ile filmler stokiyometriden daha fazla sapma göstermektedir.
Ancak A1 numunesinin diğerlerine göre stokiyometriye en yakın film olduğu söylenebilir.
Hava içerisinde tavlanan numunelere baktığımızda yapıda Cd kaybı olduğu görülmektedir. Düşük sıcaklıklarda ısıl işlem ile Cd kaybının meydana geldiğinin görüldüğü bir çalışma literatürde mevcuttur (De et al., 2000). Filmlerdeki oksijen miktarının EDS analizinden alınan değerlerden daha düşük olduğunu düşünmekteyiz.
Çünkü yüksek hızlandırma voltajı ve elektronların tabana nüfusu düşünüldüğünde, mevcut oksijen değerlerine cam tabanda bulunan oksijenin de katkı yaptığını düşünmekteyiz. Bu durumda Cd kaybının da çizelge ve şekillerde görünen oranlarda olmadığı düşünülebilir.
A2 ve A3 numunelerinde Al katkısı ile Si miktarının artmasının çatlak şeklindeki boşluklardan elektronların girmesi ve sinyal toplaması ile ilgili olduğunu düşünmekteyiz. Bu numunelerde film stokiyometrisinin bozulduğu düşünülürse yüksek miktarda Al katkısı ile örgünün bozulduğunu, gerilmelerin arttığını ve kırık bağların oluştuğunu söyleyebiliriz. A1 numunesinde ise muhtemelen yüzeydeki oluşumun daha sıkı olması elektronları durduracak engeller olarak davranmış ve tabana ulaşan elektron sayısı azalmış ve buna bağlı olarak toplanan Si sinyali azalmıştır. Tavlanan numunelerdeki yüksek Si miktarının ise filmlerin ince olmasından kaynaklandığını düşünmekteyiz. EDS analizleri sonucunda, oluşan katı film içerisinde beklenilmeyen elementlere de rastlanılmıştır. Bunların püskürtme çözeltisinde kullanılan inorganik bileşiklerin %100 saf olmaması ya da yukarıda da belirtildiği gibi numune üzerine gönderilen elektron demetlerinin enerjilerinin yüksek olmasından dolayı kalınlığı düşük olan bölgelerden geçip cam tabana ulaşmalarıyla birlikte, buradaki atomların yörüngelerinden sökülen elektronların enerjilerine karşılık gelen x-ışınlarının detektör tarafından algılanmasına bağlı olduğunu düşünmekteyiz.
3. YARIİLETKEN FİLMLERİN ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
3.1. Giriş
Yarıiletkenlerin teknolojik uygulamalarda kullanılabilmeleri için fiziksel, yapısal ve yüzeysel özelliklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Kristal kusurlarının, bant yapılarının, elektriksel iletim özelliklerinin ve yüzeysel özelliklerin bilinmesi ile uygulama amacına göre uygun malzemeler seçilebilir. Bu bölümde elde edilen yarıiletken filmlerin yapısal, fiziksel ve yüzeysel özelliklerinin belirlenmesi için kullanılabilecek teknikler hakkında bilgi verilmiştir.
3.2. Yapısal Özellikler
Katı kristallerin kristal yapılarının incelenmesinde kullanılan en önemli tekniklerden birisi x-ışınları kırınımı (XRD) tekniğidir. Malzemelerin kristal yapılarının incelenmesi toz kırınım desenlerinden faydalanılarak ve ASTM kartları kullanılarak yapılmaktadır.
XRD ile analizde kullanılacak malzeme tahrip olmaz ve küçük bir parçası bu analiz için yeterlidir. XRD ile elde edilen desenler malzemenin karakteristik bir özelliğidir ve her malzeme için farklı bir kırınım deseni elde edilir. Bu özellik aynen insanda parmak izinin belirleyici bir özellik olmasına benzer (Cullity, 1956).
XRD desenleri ile bilinmeyen bir malzeme belirlenebilir. Desenlerdeki piklerin şiddetleri ve yarı pik genişlikleri baz alınarak filmlerin kristalleşme seviyeleri hakkında bilgi edinilebilir.
X-ışınları, dalgaboyları yaklaşık olarak (0.1–100 Å) olan elektromagnetik ışımalardır. 1895’ de x-ışınlarının bulunması ile bilim adamları kristal yapıları atomik seviyelerde analiz edebilme fırsatı bulmuştur. X-ışınları kırınımı kristal malzemelerin parmak izi karakterizasyonu ve bunların yapılarının belirlenmesi olmak üzere iki ana konuda kullanılır. Her bir katı kristal kendine has x-ışınları toz desenine sahiptir. Bu durum malzemenin belirlenmesinde parmak izi gibi kullanılabilir. Malzeme belirlendikten sonra, x-ışınları kristalografisi yapı belirlenmesi için kullanılabilir, örneğin kristal halde atomların nasıl bir araya geldiği, atomlar arası mesafe ve açı gibi.
X-ışınları kırınımı katı hal kimyasında ve malzeme biliminde en önemli karakterizasyon araçlarından biridir. Herhangi bir bileşiğin birim hücre boyutu ve şekli x-ışınları kırınımı ile kolayca belirlenebilir.
Bragg denklemi;
θ
λ=2dhklsin (3.1)
ile verilir. Bu denklemde λ gelen x-ışınının dalgaboyu, dhkl düzlemler arası mesafe ve θ numune yüzeyi ile gelen x-ışını demeti arasındaki Bragg açısıdır. Düzlemler arası mesafenin hesaplanması için, kübik bir kristalde;
2 / 1 2 2 2
2 ( )
1 −
+ +
= h k l
dhkl a (3.2)
bağıntısı kullanılabilir. Burada a örgü parametresini temsil etmektedir. Kırınıma uğrayan her demet kendine has olarak 3 indisle isimlendirilir.
X-ışınları kırınımı deneyi bir x-ışınları kaynağı, incelenecek malzeme ve kırınıma uğramış x-ışınlarını toplayacak bir detektörden oluşur. Şekil 3.1’ de bir x-ışınları toz difraktometresinin şematik diyagramı verilmiştir.
Şekil 3.1. X-ışınları toz difraktometresi.
En yaygın kullanılan x-ışınları ışıması bakır tarafından yayınlanan Kα ışıması için dalgaboyu 1,5418 Å olan ışımadır. Gelen demet numuneye çarptığında, 2θ’ nın her mümkün değerinde difraksiyon oluşur. Kırınıma uğrayan demet hareketli bir dedektör ile toplanabilir. Bu çalışmada, 20-100° aralığında 2θ değerleri için tarama yapılmıştır.
Dedektörün tarama hızı 2 derece dk-1’ dir. Böylece bir numunenin ölçümü ∼40 dk sürmüştür.
Birçok malzeme kendisinin karakteristik bir özelliği olarak tercihli yönelim gösterebilir. Genelde toz kırınımı verilerinde tercihli yönelim, analiz edilen fazlar için deneysel difraktometre verilerinin ideal şiddet desenlerinden sapma göstermesine neden olur.
Bileşimi bilinen bir malzemede tercihli yönelimi karakterize etmenin en yaygın yolu, tercihli yönelim gösteren malzemenin kırınım şiddetlerini malzeme için hesaplanan (rastgele) desenlerdekilerle karşılaştırmaktır.
Bu çalışmada tercihli yönelimleri belirlemek amacıyla yapılanma katsayısı (P(hikili)) için aşağıda verilen ifade kullanılarak Haris analizi gerçekleştirilmiştir (Barrett and Massalski, 1980).
